超聲導(dǎo)波技術(shù)在起重機(jī)結(jié)構(gòu)檢測(cè)上的應(yīng)用難題

夏常福，胡靜波

（南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京210017）

超聲導(dǎo)波技術(shù)在起重機(jī)結(jié)構(gòu)檢測(cè)上的應(yīng)用難題

夏常福，胡靜波

（南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京210017）

首先介紹了起重機(jī)結(jié)構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)的需求和超聲導(dǎo)波測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)，并介紹了我國(guó)超聲導(dǎo)波技術(shù)研究現(xiàn)狀及其在結(jié)構(gòu)檢測(cè)上的應(yīng)用，最后分析了在起重機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)中采用超聲導(dǎo)波技術(shù)需解決的幾個(gè)關(guān)鍵難題。

超聲導(dǎo)波；起重機(jī)結(jié)構(gòu)；無(wú)損檢測(cè)

起重機(jī)是機(jī)電類(lèi)特種設(shè)備中的一種，其在服役過(guò)程中，由于載荷、溫度、腐蝕等因素的影響，結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸老化，主要表現(xiàn)形式是出現(xiàn)不同程度的損傷，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力下降。如果在初始階段沒(méi)有檢測(cè)出這些損傷并采取相應(yīng)的措施，損傷會(huì)逐漸累積，最終導(dǎo)致起重機(jī)結(jié)構(gòu)的失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起設(shè)備的徹底損毀，帶來(lái)人員、財(cái)產(chǎn)的重大損失。為了減少損傷對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不良影響需要對(duì)其進(jìn)行安全檢測(cè)，通常使用的是無(wú)損檢測(cè)的方法，即在不損害或不影響被測(cè)對(duì)象的前提下，采用聲、光、電等各種物理檢測(cè)方法判斷被檢對(duì)象中是否存在缺陷。

在常用的滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和射線(xiàn)檢測(cè)五大無(wú)損檢測(cè)中，超聲波檢測(cè)由于其適用范圍廣，對(duì)人體無(wú)害而獲得廣泛應(yīng)用。超聲波穿透能力強(qiáng)，對(duì)構(gòu)件沒(méi)有傷害，超聲檢測(cè)則是使超聲波進(jìn)入待測(cè)試件，利用超聲的反射、散射和折射等方式對(duì)試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)。由于其檢測(cè)能力強(qiáng)，檢測(cè)范圍廣，所需的設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)被測(cè)物沒(méi)有污染，在無(wú)損檢測(cè)中得到非常廣泛的應(yīng)用。

在超聲檢測(cè)中主要應(yīng)用的波型有縱波、橫波、表面波（瑞利波）和Lamb波等。用常規(guī)超聲掃查方式檢測(cè)大型構(gòu)件相當(dāng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且檢驗(yàn)范圍有一定的隨機(jī)性和局限性，而超聲導(dǎo)波具有傳播距離遠(yuǎn)、速度快的特點(diǎn)，適用于起重機(jī)大型構(gòu)件的大面積損傷檢測(cè)。導(dǎo)波中的Lamb波其產(chǎn)生的機(jī)理是橫波斜入射或者縱波垂直入射進(jìn)入結(jié)構(gòu)中進(jìn)行傳播，在一定距離之后超聲波已不再是普通的橫波或者縱波而是導(dǎo)波。Lamb波由于傳播衰減小、檢測(cè)范圍廣、對(duì)小損傷敏感，且在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)較為成熟，可以被很好的應(yīng)用到起重機(jī)大型構(gòu)件的損傷檢測(cè)中。

1　應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，超聲導(dǎo)波測(cè)試技術(shù)在起重機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于空白。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)由鋼板組成，通過(guò)焊接或螺栓連接，具有尺寸大、結(jié)構(gòu)規(guī)則、焊縫多等特點(diǎn)。根據(jù)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)在超聲導(dǎo)波領(lǐng)域可借鑒的研究主要包括：

北京工業(yè)大學(xué)的孫雅欣等[1]利用高頻縱向?qū)Р▽?duì)鋼桿進(jìn)行了研究，根據(jù)在桿狀結(jié)構(gòu)中波導(dǎo)傳播具有頻散現(xiàn)象及多模態(tài)的特征，選擇特定頻率下的單音頻信號(hào)激勵(lì)超聲導(dǎo)波，研究結(jié)果表明在一定的頻率下的縱向模態(tài)可用來(lái)對(duì)埋于介質(zhì)中的鋼桿進(jìn)行檢測(cè)。該方法可應(yīng)用于起重機(jī)大面積結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波信號(hào)傳播特性的研究。

天津大學(xué)的李一博、靳世久等人[2]針對(duì)長(zhǎng)距離管道檢測(cè)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到的環(huán)形焊縫和彎管情況進(jìn)行了導(dǎo)波測(cè)試研究。文中采用了縱向和扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波，對(duì)導(dǎo)波在連續(xù)穿越七條環(huán)形焊縫和一段彎管的傳播特性進(jìn)行了研究，并且對(duì)其在檢測(cè)凹槽、焊疤、支路等缺陷或管道特征方面的能力進(jìn)行了對(duì)比。該方法對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波信號(hào)跨越焊縫時(shí)的傳播特性研究具有指導(dǎo)意義。

文獻(xiàn)[3]利用ANSYS軟件對(duì)管道超聲縱向?qū)Р鸭y檢測(cè)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)模擬管道中的縱向入射應(yīng)力波，對(duì)含單、雙裂紋的管道模型進(jìn)行了仿真模擬。文獻(xiàn)[4]利用Abaqus軟件對(duì)導(dǎo)波在較厚結(jié)構(gòu)中的傳播進(jìn)行了仿真模擬。同時(shí)對(duì)無(wú)損傷及有損傷的仿真模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)信號(hào)與仿真波形具有很好的吻合度。利用仿真軟件對(duì)信號(hào)傳播進(jìn)行數(shù)值模擬的方法同樣適用于起重機(jī)結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波信號(hào)的傳播研究。

2　需解決的關(guān)鍵技術(shù)

雖然超聲導(dǎo)波檢測(cè)對(duì)于大型結(jié)構(gòu)件的損傷檢驗(yàn)具有其他形式無(wú)損檢測(cè)方式難以比擬的快捷高效，但由于導(dǎo)波在激勵(lì)、傳播、接收以及信號(hào)處理方面的復(fù)雜性，其并未真正在工業(yè)生產(chǎn)尤其是起重機(jī)等大型結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)中獲得廣泛的應(yīng)用。如需要在起重機(jī)結(jié)構(gòu)測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用導(dǎo)波測(cè)試技術(shù)上，尚需要解決以下的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）導(dǎo)波缺陷識(shí)別仿真技術(shù)

對(duì)缺陷識(shí)別仿真技術(shù)的研究，包括：需要分析傳感器與板結(jié)構(gòu)之間的作用機(jī)制，研究傳感器激勵(lì)機(jī)制和對(duì)激勵(lì)信號(hào)做出選擇；可采用ANSYS或ABAQUS等通用型有限元仿真軟件進(jìn)行導(dǎo)波板內(nèi)傳播的有限元模擬仿真，綜合考慮頻散、能量、激勵(lì)精確度等因素的影響，在仿真時(shí)選擇合理的計(jì)算參數(shù)，以確保計(jì)算的精度和效率；利用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬不同的導(dǎo)波模式并研究其特性，研究不同導(dǎo)波模式與不同類(lèi)型缺陷的相互作用，即在缺陷處的散射問(wèn)題，包括導(dǎo)波在缺陷處的反射和折射系數(shù)以及在缺陷處的位移和能量變化等；研究超聲導(dǎo)波信號(hào)中的特征量提取方法，利用時(shí)頻域分析方法盡量提取導(dǎo)波信號(hào)的特征量，并分析其趨勢(shì)，利用仿真信號(hào)并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對(duì)鋼板結(jié)構(gòu)中不同缺陷進(jìn)行識(shí)別，驗(yàn)證算法。

（2）導(dǎo)波缺陷識(shí)別的實(shí)驗(yàn)研究

使用實(shí)驗(yàn)的方法模擬鋼板結(jié)構(gòu)中的裂紋、孔洞等缺陷，采用傅里葉變換（FFT）方法、短時(shí)傅里葉變換（STFT）方法和希爾伯特變換（HHT）等方法對(duì)Lamb波信號(hào)進(jìn)行模式分析，研究不同形態(tài)的缺陷對(duì)波傳播的影響，研究其特性，并利用缺陷識(shí)別算法來(lái)識(shí)別反推缺陷尺寸、位置等信息；之后利用導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)探測(cè)不同深度和型式的缺陷，通過(guò)分析導(dǎo)波特性，利用缺陷識(shí)別算法達(dá)到識(shí)別缺陷信息的目的。

（3）導(dǎo)波檢測(cè)分析軟件的研發(fā)

由于導(dǎo)波測(cè)試數(shù)據(jù)量較大，考慮到儀器的效率和性能，在現(xiàn)場(chǎng)采集時(shí)采用USB接口從儀器向PC機(jī)傳輸數(shù)據(jù)具有極大便利性。為此需進(jìn)行USB固件的開(kāi)發(fā)，特別是MassStorage協(xié)議的處理部分的開(kāi)發(fā)；需要進(jìn)行USB上位機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)，建立USB固件與PC端分析軟件的橋梁；進(jìn)行PC端軟件的開(kāi)發(fā)（可采用Visual C++等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行），開(kāi)發(fā)出具有數(shù)據(jù)采集顯示模塊、FFT變換模塊、降噪處理模塊、短時(shí)傅里葉變換模塊等在內(nèi)的分析軟件。

（4）適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的裝置研發(fā)

根據(jù)起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的情況、采用的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際的檢測(cè)條件，選取符合實(shí)際應(yīng)用的探頭類(lèi)型、參數(shù)以及導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生出的特定導(dǎo)波模態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置的搭建。搭建的測(cè)試裝置在滿(mǎn)足測(cè)試要求的前提下應(yīng)當(dāng)盡量選取低功耗、集成化程度高的芯片，以達(dá)到功耗低、微型化和模塊化的要求。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)超聲導(dǎo)波技術(shù)在起重機(jī)結(jié)構(gòu)檢測(cè)上的應(yīng)用進(jìn)行了分析，總結(jié)提出了其應(yīng)用需要解決的幾個(gè)技術(shù)難題。通過(guò)解決這些難題可以研制出適用于起重機(jī)結(jié)構(gòu)的基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的無(wú)損檢測(cè)裝置。通過(guò)該裝置的使用，可在起重機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)快速、準(zhǔn)確的判斷結(jié)構(gòu)損傷，減少由于結(jié)構(gòu)損傷帶來(lái)的事故隱患，推動(dòng)起重機(jī)行業(yè)的整體技術(shù)進(jìn)步，更好的保障起重機(jī)使用安全性，帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]何存富，孫雅欣，王秀彥，等.高頻縱向超聲導(dǎo)波在埋于無(wú)限大介質(zhì)中鋼桿的傳播特性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（3）：82-88.

[2]李一博，靳世久，孫立瑛.超聲導(dǎo)波在管道中的傳播特性的研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2005，19（5）：63-66，89.

[3]周義清，王志華，馬宏偉.超聲縱向?qū)РㄟM(jìn)行管道裂紋檢測(cè)的數(shù)值模擬[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（3）：258-262.

[4]孫凱，孟光，葉林，等.基于超聲導(dǎo)波的鋼梁結(jié)構(gòu)損傷大小識(shí)別研究[J].振動(dòng)與沖擊，2011，30（9）：227-231.

Application of Ultrasonic Guided Wave Technology in Crane Structure Inspection

XIA Chang-fu，HU Jing-bo
（Nanjing Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute，Nanjing Jiangsu 210017，China）

This paper introduces the characteristics of guided wave testing technology and ultrasonic nondestructive testing needs parts of crane structure，then introduces the research status of China’s ultrasonic guided wave technology and its application in structure detection，finally analyzes several key problems in nondestructive detection using ultrasonic guided wave technology to solve the crane structure.

ultrasonic guided wave；crane structure；nondestructive testing

TH21

A

1672-545X（2016）10-0198-02

2016-07-17

夏常福（1962-），男，江蘇人，本科，主任，研究方向：特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究。